1 Bit/1 Bit-Digitalkorrelator

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf einen 1 Bit/1 Bit-Digitalkorrelator mit selbständig einstellender Integratorreferenzspannung. Solche Korrelatoren werden verwendet zur Gewinnung der Stellspannungen von Regelgliedern, wie sie zur Demodulation, Entzerrung und Regeneration eines quadraturamplitudenmodulierten Digitalsignals benötigt werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in ihrem Aufbau kleine, einfache und präzise arbeitende Schaltung für einen Korrelator zu schaffen. Dies wird mit einem Korrelator mit einem als Digitalteil aufgebauten Multiplizierer (1) und einem als Analogteil aufgebauten Integrator (2) durch folgende Maßnahmen erreicht. In den vom Multiplizierer (1), der aus einem Exklusiv-ODER-Gatter besteht, kommenden digitalen Datenstrom (D1-D2) wird periodisch eine Referenzbitfolge eingeblendet, die vor dem Analog-Integrator (2) über einen Widerstand (R3) und einen bidirektionalen C-MOS-Schalter (S2) periodisch auf einen Halte-Kondensator (C3) ausgeblendet wird. Vor den Integratoreingang ist ein Tiefpaß (R1, C1) geschaltet, der über einen weiteren Widerstand (R2) mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers (OP1) verbunden ist und durch den die hohen Frequenzanteile des Digitalsignals abgetrennt werden. Zum Rücksetzen des Integrators (2) ist eine Rückkoppelschleife vom Ausgang zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP1) vorgesehen, bestehend aus einem weiteren Operationsverstärker (OP2), dessen einer Eingang mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (OP1) verbunden ist und an dessen Setzeingang die gewünschte Anfangsspannung angelegt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen 1 Bit/1 Bit-Digital- korrelator mit selbständig einstellender Integratorreferenzspannung.

[0002] Zur Demodulation, Entzerrung und Regeneration eines quadraturamplitudenmodulierten Digitalsignals werden in mehreren Schaltungen Regelschleifen benötigt. Die Gewinnung der Stellspannungen der Regelglieder erfolgt häufig mit Hilfe von Korrelatoren, die die Korrelation zweier digitaler Bitströme mit Hilfe einer Antivalenzschaltung und eines Integrators ermitteln und daraus eine Stellspannung ableiten. Die Leistungsfähigkeit der Demodulations-, Entzerrungs-und Regenerationsschaltungen hängt stark von der Genauigkeit der Stellspannungen ab. Bei Schaltungen mit einer relativ großen Anzahl von Korrelatoren, beispielsweise beim Einsatz eines adaptiven Basisentzerrers, ist es wichtig, eine kleine, einfache Schaltung zu erhalten, die die Stellspannung mit möglichst hoher Präzision, unabhängig von Exemplarstreuung, Temperaturdrift und Alterungserscheinung der Bauelemente erzeugt.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in ihrem Aufbau kleine, einfache und präzise arbeitende Schaltung für einen Korrelator zu schaffen.

[0004] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einem Korrelator gelöst, der einen als Digitalteil aufgebauten Multiplizierer und einen an diesen angeschalteten, als Analogteil aufgebauten Integrator aufweist, bei welchem Digitalkorrelator der Multiplizierer aus einer Antivalenzschaltung (Exklusiv-ODER-Gatter) besteht, in dem zwei Digitalfolcen logisch miteinander verknüpft werden und in dieses Multiplikationsergebnis (Ergebnisbitfolge) über einen digitalen Schalter eine durch Teilung eines dem Digital-Korrelator zugeführten Symboltaktes entstandene Bitfolge als Referenzsignal in periodischen Abständen eingeblendet und das Schalterausgangssignal über ein Flip-Flop vom Symboltakt nochmals abgetastet wird und bei welchem Digitalkorrelator im Analogteil das ankommende Digitalsignal auf zwei« Wege aufgespalten wird, von denen der eine, der Gewinnung der Integrator-Null-Referenz-Spannung dienende Weg einen von einem Refresh-Kommando angesteuerten weiteren Schalter enthält, der eine Widerstands-Kondensator-Kombination, bestehend aus einem Ohmschen Widerstand im Längszweig und einem Kondensator im Querzweig verbindet, und auf den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers führt, und der andere, den Signalweg bildende Weg einen aus einem Ohm'schen Widerstand und einem Kondensator gebildeten Tiefpaß enthält, der über einen weiteren Ohm'schen Widerstand mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist, zwischen dessen invertierendem Eingang und Ausgang ein Kondensator angeschaltet ist, und zum Rücksetzen des Integrators eine Rückkoppelschleife vom Ausgang zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers vorgesehen ist, bestehend aus einem weiteren Operationsverstärker, dessen einer Ei-ngang mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers verbunden ist und an dessen zweiten Eingang (Setzeingang) die gewünschte Anfangsspannung angelegt wird und dessen Ausgang über einen entsprechend der anliegenden Setzspannung gesteuerten Schalter und einen Widerstand mit dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers verbunden ist.

[0005] Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0006] Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.

[0007] Es zeigen

Fig. 1 einen Korrelator im Grundaufbau,

Fig. 2 ein Impulsdiagramm der Korrelatorsignale,

Fig. 3 eine Detaildarstellung des erfindungsgemäßen Korrelators und

Fig. 4 ein Zeitdiagramm für den Digitalteil des Korrelators.

[0008] Ein Korrelator besteht, wie in Fig. 1 dargestellt, aus zwei Grundeinheiten, nämlich einem Multiplizierer 1 und einem Integrator 2. Dem Multiplizierer 1 werden die Signale S1=s1(t) und S2=s2(t) zugeführt und miteinander multipliziert. Besteht eine Abhängigkeit der beiden Signalverläufe voneinander, so liefert der nachfolgende Integrator 2 eine von der Anfangsspannung verschiedene Ausgangsspannung UA. Ist keine Korrelation vorhanden, so wird das Produkt S1-S2 am Ausgang des Multiplizierers 1 ebenso häufig positiv wie negativ und die Ausgangsspannung des Integrators 2 schwankt um den Anfangswert. Wird die Ausgangsspannung auf einen Schaltungsteil geführt, der das Signal S1 und/oder S2 beeinflussen kann, so entsteht ein Regelkreis, dessen Regelziel es ist, die Korrelation zwischen den Signalen S1 und S2 aufzuheben.

[0009] Im dargestellten Fall sind die Signale S1 und S2 in Fig.2 binäre Impulsfolgen, die in dem als Antivalenzschaltung (Exklusiv-ODER) aufgebauten Multiplizierer modolo 2 multipliziert werden.

[0010] Sind die Bitfolgen S1 und S2 nicht korreliert, z.B. echte Zufallsfolgen, so wird das Ergebnis der Antivalenzschaltung wieder eine Zufallsfolge mit gleicher Häufigkeit des Auftretens der log 1 und log 0 sein. Ist irgendein Zusammenhang zwischen den Informationseinheiten von S1 und S2 vorhanden, so wird sich das 0/1-Häufigkeitsverhältnis im Produkt verändern. Bei ^gleichphasiger Korrelation werden mehr Nullen als Einsen auftreten, bei gegenphasiger Korrelation ist es umgekehrt. Gibt man das Produkt auf einen Integrator, so wird dieser bei einem von 50% verschiedenen 0/1-Verhältnis in einer Richtung weglaufen. Das Integrationsergebnis soll dabei als Analogspannung vorliegen, mit der das Stellglied in der Regelschaltung verändert wird.

[0011] Der 1 Bit/1 Bit-Digitalkorrelator nach Fig. 3 besteht aus einem als Digitalteil aufgebauten Multiplizierer und einem diesem nachgeschalteten, als Analogteil aufgebauten Integrator. Der Multiplizierer 1 und der Integrator 2 sind jeweils innerhalb eines strichliert gezeichneten Kästchens angeordnet.

[0012] Der Digitalteil, der sich in einem Chip befindet, hat Eingänge für den Symboltakt T, die Digitalsignale D1 und D2 und ein Refresh-Kommando R (Die .Refresh-Zyklen sind so ausgelegt, daß t_aus >>t_ein ist, beispielsweise ≈20ms Aus, ≈0,5ms Ein) sowie einen zum Analogteil führenden Ausgang 0. Die beiden Digitalfolgen Dl und D2 werden in einem Exklusiv-ODER-Gatter G logisch verknüpft (modolo 2-Multiplikation). Die Bits laufen mit der Frequenz des Symboltaktes T ein. Durch eine 4:1-Teilung des Taktes im Teiler Te entsteht eine periodische "1-1-0-0"-Folge. Diese Bitfolge wird als Referenzsignal in bestimmten Abständen, nämlich jeweils bei Refresh-Kommando über einen digitalen Schalter S1 in das Multiplikationsergebnis eingeblendet. Das Schalterausgangssignal wird über ein Flip-Flop FF nochmals vom Symboltakt T abgetastet. Damit kann am Ausgang des Digitalteils nicht mehr zwischen Bits, die von der Referenzfolge stammen und originalen Ergebnisbits unterschieden werden. Die elektrischen Signalverläufe sind gleich.

[0013] In Fig. 4 ist ein Zeitdiagramm für den Digitalteil dargestellt. In einzelnen Zeilen untereinander sind der Takt T, der geteilte Takt T/4, das Refresh-Kommando R, die Digitalfolgen D1 und D2 sowie die Signalverläufe am Schalterausgang und am Ausgang D des Digitalteils eingezeichnet. Auf dem Signal D₁. D₂ i-st zur Verdeutlichung der Wirkung des Abstast-Flip-Flops FF eine überlagerte Störspannung, und zwar nur auf den Ergebnisbits, eingezeichnet, die aber nicht mehr auf den Ausgang des Flip-Flops durchkommt. Zur Vereinfachung der Skizze ist eine Refresh-Phase mit nur 8 Bit-Länge eingezeichnet. Diese Länge wird in der Praxis mehrere Tausend Bits lang sein.

[0014] Die während der Refresh-Phase anliegende Bitfolge dient zur Generierung der Integrator-Null-Referenzspannung. Sie soll den gleichen Gleichspannungs-Mittelwert wie eine Zufallsfolge mit 50% - 1/0 -Verhältnis haben. Dies wird dadurch erreicht, daß die Referenzbitfolge (...1-1-0-0-1-1-0-0...) folgende Merkmale aufweist: gleiche Häufigkeit von "1" und "0", gleiche Häufigkeit von positiven und negativen Flanken wie die oben definierte Zufallsfolge, identische elektrische Pegel für log "1" und log "0" bei den Ergebnis-Bits und den Referenz-Bits und identische Flankensteilheit und Verzögerungszeiten bei Referenz- und Ergebnis-Bits.

[0015] Der als Analogteil aufgebaute Integrator, der im Hybrid-Modul realisiert ist, hat neben dem Eingang D für das Digitalsignal einen Eingang R für das Refresh-Signal sowie Eingänge S, RI zum Setzen der Integrator-Spannung bzw. zum Rücksetzen des Integrators. Der Ausgang U_A liefert eine Analogspannung, die dem Integrationswert entspricht.

[0016] Das. am Eingang D ankommende Digitalsignal wird im Integrator 2 auf zwei Wege A und B aufgespaltet. Der Weg A, der zur Gewinnung der Integrator-Null-Referenz-Spannung dient, enthält einen bidirektionalen C-MOS-Schalter S2 und eine RC-Kombination aus einem Längswiderstand R3 und einem Kondensator C3 im Querzweig; er führt auf den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1. Ober den Längswiderstand und den bidirektionalen C-MOS-Schalter S2 erfolgt eine periodische Ausblendung der Referenzbitfolge vor dem Analog-Integrator auf den Halte-Kondensator C3, der unmittelbar am Referenzspannungseingang des Integrators liegt und der sich auf die Mittelwertspannung nur der _Referenzfolge und nicht der Ergebnisbitfolge einstellt. Der C-MOS-Schalter S2 ist während der Refresh-Phase durchgeschaltet: Ober die RC-Kombination wird der DC-Mittelwert der Referenzfolge gebildet. Nach Beendigung der Refresh-Phase wird der Schalter S2 wieder geöffnet, so daß die am Kondensator C3 anliegende Mittelwertspannung erhalten bleibt. Bedingung dazu ist, daß sich der Kondensator C3 nicht zwischen zwei Refresh-Zyklen entladen kann. Dies wird dadurch erreicht, daß zum einen der Schalter S2 einen sehr höhen Sperrwiderstand aufweist, was durch seine Ausbildung als bidirektionaler C-MOS-Schalter erreicht wird, und zum anderen der Eingang des nachfolgenden Operationsverstärkers OP1 einen sehr hohen Eingangswiderstand aufweist und die Eigenentladung des Kondensators C3 gering ist.

[0017] Bei der nächsten Referenzphase wird nur dann die Mittelspannung am Kondensator C3 nachgezogen, falls während des Einschaltvorgangs bei vorangegangenen Refreshphasen die Spannung am Kondensator C3 noch nicht ihren Endwert erreicht hatte, sich z.B. durch thermische Effekte die physikalischen Eigenschaften des Digitalsignals geändert haben oder durch sonstige Effekte (z.B. Eigenentladung) der Kondensator C3 seine Ladung verändert haben sollte.

[0018] Die Spannung am Kondensator C3 stellt also mit hoher Präzision diejenige Spannung dar, die eine binäre Zufallsfolge mit 50% -1/0-Verteilung als Gleichspannungsmittelwert enthält.

[0019] Der eigentliche Signalweg ist der Weg B. In diesem läuft das Digitalsignal zunächst über einen aus einem Widerstand R1 und einem Kondensator C1 gebildeten Tiefpaß, der einerseits die hohen Frequenzanteile des Digitalsignals abtrennen und andererseits nur den Gleichspannungsmittelwert des Digitalsignals herausfiltern soll. Der nachfolgende Widerstand R2 liegt mit einem Anschluß am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers _OP1 und damit an (virtueller)Masse. Der Tiefpaß wird somit am Ausgang dauernd mit dem Widerstand R2 belastet. Seine Grenzfrequenz beträgt

Wählt man den Widerstand R2 etwa um den Faktor 10 größer als R1, so geht er in die Grenzfrequenz praktisch nicht ein.

[0020] Die eigentliche Integration findet über eine RC-Kombination aus dem Widerstand R2 und einem Kondensator C4 zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1 und dem Operationsverstärker OP1 selbst statt. Die Ausgangsspannung des Integrators ist

[0021] Da die Spannung U_C1 am Kondensator C1 bereits vorgefiltert ist, genügt ein Operationsverstärker mit relativ geringer Bandbreite. Entscheidend ist, daß der Mittelwert von U_C1 aufintegriert wird, d.h., daß bereits möglichst geringe Abweichungen vom 50% - 1/0 -Verhältnis im Digitalsignal D aufintegriert werden.

[0022] Durch Anlegen des Refresh-Kommandos, wodurch man auf den Integrator nur die Referenzbitfolge schaltet, ergibt sich die Möglichkeit, den Integrationswert, d.h. eine bestimmte Integrator-Ausgangsspannung festzuhalten. Dies läßt sich dann sehr vorteilhaft ausnützen, wenn man in bestimmten Zeitfenstern die Ergebnis-Bits der modolo 2-Multiplikation ausblenden möchte, z.B. wenn diese nur Störinformation für die Korrelation enthalten.

[0023] Im Analogteil 2 mit dem Integrator ist ferner ein zweiter Operationsverstärker OP2 vorgesehen, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers OP1 verbunden ist und an dessen zweiten Eingang (Setzeingang) die gewünschte Anfangsspannung angelegt wird. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP2 ist über einen bidirektionalen Schalter S3 und einen Widerstand R11 mit dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers OP1 verbunden. Dieser Schaltungsteil dient dem Rücksetzen des Integrators und soll nachfolgend erläutert werden.

[0024] Bei Beginn der Integrationszeit muß die Ausgangsspannung des Integrators auf einen bestimmten DC-Wert gesetzt werden können. Die gewünschte Anfangsspannung wird an den Setzeingang S des Analogteils 2 angelegt. Der Operationsverstärker OP2 wirkt als Komparator. Während des Setzvorganges ist der bidirektionale Schalter S3 geschlossen. Ober den Widerstand R11 erfolgt die Rückkopplung auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1. Die Ausgangsspannung U_A wird solange nachgeregelt, bis sie mit der Integratorsetzspannung übereinstimmt. Bei der Dimensionierung dieser Rückkopplung ist berücksichtigt, daß über den Digitaleingang D und den Tiefpaß ein Störsignal an den Operationsverstärker gelangt, das aber ebenfalls mitausgeregelt wird. Am Ende des Setzvorgangs wird der Schalter S3 geöffnet, der Integrationskondensator C4 hat die Anfangsspannung und der Integrationsvorgang beginnt.

[0025] Mit der erfindungsgemäßen Schaltung, die ohne Abgleichelemente auskommt, wird eine Unabhängigkeit des Integrationsergebnisses von Exemplarstreuung, Temperaturdrift und Alterserscheinung der Bauelemente erreicht. Außerdem ist das Integrationsergebnis in weiten Grenzen von den Toleranzen der elektrischen Kennwerte der Bauelemente unabhängig. Die Schaltung ist zudem sehr platzsparend in ihrem Aufbau, sehr temperaturstabil und weist eine hohe Genauigkeit für die Integrator-Null-Lage auf.

Ansprüche

1. 1 Bit/1 Bit-Digitalkorrelator mit selbständig einstellender Integrator-Referenzspannung, gekennzeichnet durch
einen als Digitalteil aufgebauten Multiplizierer und einen an diesen angeschalteten, als Analogteil aufgebauten Integrator, bei welchem Digitalkorrelator der Multiplizierer aus einer Antivalenzschaltung (Exklusiv-ODER-Gatter) besteht, in dem zwei Digitalfolgen (D1, D2) logisch miteinander verknüpft werden und in dieses Multiplikationsergebnis (Ergebnisbitfolge) über einen digitalen Schalter eine durch Teilung eines dem Digital-Korrelator zugeführten Symboltaktes entstandene Bitfolge als Referenzsignal in periodischen Abständen eingeblendet und das Schalterausgangssignal über ein Flip-Flop vom Symboltakt nochmals abgetastet wird und bei welchem Digitalkorrelator im Analogteil das ankommende Digitalsignal auf zwei Wege aufgespalten wird, von denen der eine, der Gewinnung der Integrator-Null-Referenz-Spannung dienende Weg einen von einem Refresh-Kommando angesteuerten weiteren Schalter (S2) enthält,der eine Widerstands-Kondensator-Kombination, bestehend aus einem Ohm'schen Widerstand (R3) im Längszweig und. einem Kondensator (C3) im Querzweig verbindet, und auf den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP1) führt, und der andere, den Signalweg bildende Weg einen aus einem Ohm'schen Widerstand (R1) und einem Kondensator (C1) gebildeten Tiefpaß enthält, der über einen weiteren Ohm'schen Widerstand mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (0P1) verbunden ist, zwischen dessen invertierenden Eingang und Ausgang ein Kondensator (C4) angeschaltet ist, und zum Rücksetzen des Integrators eine Rückkcppelschleife vom Ausgang zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP1) vorgesehen ist, bestehend aus einem weiteren Operationsverstärker (OP2), dessen einer Eingang mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (OP1) verbunden ist und an dessen zweiten Eingang (Setzeingang) die gewünschte Anfangsspannung angelegt wird und dessen Ausgang über einen entsprechend der anliegenden Setzspannung gesteuerten Schalter und einen Widerstand mit dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (OP1) verbunden ist.

2. 1 Bit/1 Bit-Digitalkorrelator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der weitere Schalter (S2) einen sehr hohen Sperrwiderstand aufweist.

3. 1 Bit/1 Bit-Digitalkorrelator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet ,
daß der weitere Schalter (S2) ein bidirektionaler C-MOS-Schalter ist.

4.1 Bit/1 Bit-Digitalkorrelator nach einem der Ansprüche
1 bis 3, .
dadurch gekennzeichnet,
daß der Operationsverstärker (OP1) einen sehr hohen Eingangswiderstand und geringen Offset im Vergleich zur Differenz der logischen Pegel aufweist.

5. 1 Bit/1 Bit-Digitalkorrelator nach einem der Ansprüche
1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kondensator (C3) im Querzweig eine geringe Eigenentladung aufweist.

6. 1 Bit/1 Bit-Digitalkorrelator nach einem der Ansprüche
1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die verwendete Referenzbitfolge aus dem durch 4 geteilten Symboltakt besteht (1-1-0-0-1-1-0-0...).

Zeichnung